Участник:Msindeeva/Алгоритм k средних: различия между версиями
Msindeeva (обсуждение | вклад) Нет описания правки |
Msindeeva (обсуждение | вклад) Нет описания правки |
||
| Строка 17: | Строка 17: | ||
Также входным параметром можно считать метрику для векторов, например евклидово расстояние <math>d(x, y) = \sum_{i = 1}^{l} (x_i - y_i )^2</math> - одна из самых популярных используемых метрик. | Также входным параметром можно считать метрику для векторов, например евклидово расстояние <math>d(x, y) = \sum_{i = 1}^{l} (x_i - y_i )^2</math> - одна из самых популярных используемых метрик. | ||
Формально нам необходимо найти такое разделение <math>(\mathbf x_1, \mathbf x_2, .. \mathbf x_n)</math> на подмножества <math>G = (G_1, .. G_k)</math>, | Формально нам необходимо найти такое разделение <math>(\mathbf x_1, \mathbf x_2, .. \mathbf x_n)</math> на подмножества <math>G = (G_1, .. G_k)</math>, минимизирующие сумму квадратов расстояний до их центров, или суммарное квадратичное отклонение: | ||
:<math> | :<math> | ||
J = \underset{\mathbf{G}} {\operatorname{arg\,min}} \sum_{i=1}^{k} \sum_{\mathbf x \in G_i} d(\mathbf x, \boldsymbol\mu_i)^2, | J = \underset{\mathbf{G}} {\operatorname{arg\,min}} \sum_{i=1}^{k} \sum_{\mathbf x \in G_i} d(\mathbf x, \boldsymbol\mu_i)^2, | ||
| Строка 52: | Строка 52: | ||
# Инициализация центроидов <math>\mu_1, ... \mu_k</math>. | # Инициализация центроидов <math>\mu_1, ... \mu_k</math>. | ||
# Последовательное вычисление расстояний векторов до этих центроидов и разбиение по кластерам с этими центрами. | # Последовательное вычисление расстояний векторов до этих центроидов и разбиение по кластерам с этими центрами. | ||
# Нахождение изменения метрики <math>J</math>. Если оно | # Нахождение изменения метрики <math>J</math>. Если оно меньше некоего заданного порога, то центроиды найдены. | ||
# Пересчет центроидов в новых кластерах. | # Пересчет центроидов в новых кластерах. | ||
# Переход к шагу 2. | # Переход к шагу 2. | ||
Текущая версия от 01:26, 1 декабря 2017
Алгоритм k средних
Автор статьи: Синдеева Мария, группа 416
Свойства и структура алгоритма
Общее описание алгоритма
Алгоритм k средних - это алгоритм кластерного анализа, используемый в Data Mining. Цель алгоритма - разделить [math]\displaystyle{ n }[/math] наблюдений на [math]\displaystyle{ k }[/math] кластеров, в которых каждое наблюдение принадлежит к кластеру с ближайшим центром, который служит прототипом всего кластера. Эта задача является NP-сложной, но существуют эффективные эвристические алгоритмы, быстро сходящиеся к локальному минимуму.
Алгоритм k средних является наиболее популярным методом кластеризации. Он был изобретён в 1950-х годах математиком Гуго Штейнгаузом и почти одновременно Стюартом Ллойдом.
Математическое описание алгоритма
Входные параметры: [math]\displaystyle{ n }[/math] наблюдений (векторов) [math]\displaystyle{ (\mathbf x_1, \mathbf x_2, .. \mathbf x_n) }[/math], [math]\displaystyle{ k }[/math] - число кластеров.
Также входным параметром можно считать метрику для векторов, например евклидово расстояние [math]\displaystyle{ d(x, y) = \sum_{i = 1}^{l} (x_i - y_i )^2 }[/math] - одна из самых популярных используемых метрик.
Формально нам необходимо найти такое разделение [math]\displaystyle{ (\mathbf x_1, \mathbf x_2, .. \mathbf x_n) }[/math] на подмножества [math]\displaystyle{ G = (G_1, .. G_k) }[/math], минимизирующие сумму квадратов расстояний до их центров, или суммарное квадратичное отклонение:
- [math]\displaystyle{ J = \underset{\mathbf{G}} {\operatorname{arg\,min}} \sum_{i=1}^{k} \sum_{\mathbf x \in G_i} d(\mathbf x, \boldsymbol\mu_i)^2, }[/math]
где [math]\displaystyle{ \boldsymbol\mu_i }[/math] - центр кластера [math]\displaystyle{ G_i }[/math]
Алгоритм работает итерационно, каждая итерация алгоритма представляет собой следующее:
- Пересчитать центр масс для каждого кластера, полученного на предыдущем шаге: [math]\displaystyle{ \boldsymbol \mu_i = \frac{\sum_{\mathbf x_i \in G_i}\mathbf x_i}{|G_i|}, i = 1, 2, .. k }[/math]
- Переразбить векторы на кластеры в соответствии с расстоянием до новых посчитанных центров: [math]\displaystyle{ z_i = \underset{\mathbf{j}} {\operatorname{arg\,min}} \{d(\mathbf x_i, \boldsymbol \mu_j)\}, i = 1, 2, .. n }[/math]
Алгоритм завершается, когда на какой-то итерации не происходит изменения центра масс кластеров. Это происходит за конечное число итераций, так как количество возможных разбиений конечного множества конечно, а на каждом шаге суммарное квадратичное отклонение [math]\displaystyle{ J }[/math] не увеличивается, поэтому зацикливание невозможно.
Такой алгоритм сходится при любом начальном приближении разбиения на кластеры, поэтому в качестве нулевого шага часто выбирают [math]\displaystyle{ k }[/math] случайных векторов среди [math]\displaystyle{ (\mathbf x_1, \mathbf x_2, .. \mathbf x_n) }[/math].
Вычислительное ядро алгоритма
Две основные составляющие алгоритма:
Вычислительное ядро алгоритма можно считать состоящим из двух частей:
- Пересчет расстояний ярлыков кластеров векторам. Это ядро подразумевает многократное вычисление евклидовых расстояний между [math]\displaystyle{ N }[/math]-мерными векторами.
- Пересчет новых центроидов. В этом ядре осуществляются в основном операции сложения [math]\displaystyle{ N }[/math]-мерных векторов.
Макроструктура алгоритма
Алгоритм представляет собой циклическое чередование двух этапов, описанных выше, причем каждый использует результаты предыдущего.
Так как расстояния векторов до центроидов никак не связаны друг с другом, подсчет этих расстояний выполняется параллельно друг другу.
Схема реализации последовательного алгоритма
Структура алгоритма описывается так:
- Инициализация центроидов [math]\displaystyle{ \mu_1, ... \mu_k }[/math].
- Последовательное вычисление расстояний векторов до этих центроидов и разбиение по кластерам с этими центрами.
- Нахождение изменения метрики [math]\displaystyle{ J }[/math]. Если оно меньше некоего заданного порога, то центроиды найдены.
- Пересчет центроидов в новых кластерах.
- Переход к шагу 2.
Последовательная сложность алгоритма
Пусть на входе [math]\displaystyle{ n }[/math] векторов длины [math]\displaystyle{ N }[/math], выделяется [math]\displaystyle{ k }[/math] кластеров.
Вычислительная сложность подсчета квадрата расстояния между двумя векторами: [math]\displaystyle{ 2N - 1 }[/math] сложений и вычитаний, [math]\displaystyle{ N }[/math] умножений. Таким образом, сложность подсчета метрики [math]\displaystyle{ J }[/math] для одной итерации: [math]\displaystyle{ n * k * (2N - 1) }[/math] сложений, [math]\displaystyle{ n * k * N }[/math] умножений. Пересчет кластеров (поиск среднего ариметического векторов в кластере): [math]\displaystyle{ (n - k) * N }[/math] сложений, [math]\displaystyle{ k * N }[/math] делений. Итого, если [math]\displaystyle{ I }[/math] - число итераций, общая сложность: [math]\displaystyle{ (n * k *(2N - 1) + n * k * N + (n - k) * N + k * N) * I = (3N * n * k - n * k + n * N) * I }[/math].
Таким образом, общая сложность: [math]\displaystyle{ O(NnkI) }[/math]
Информационный граф алгоритма

- Первичная инициализация центроидов
- Первичная метрика
- Подсчет расстояния между вектором и центроидом
- Выбор кластера для вектора а основе расстояний до центроидов
- Подсчет метрики J (сумма квадратов расстояний)
- Расчет нового центроида
- Сравнение новой метрики со старой
Ресурс параллелизма алгоритма
- Сложность второго яруса информационного графа составляет [math]\displaystyle{ 3N - 1 }[/math] операций
- Сложность третьего яруса - [math]\displaystyle{ n * k - 1 }[/math] операций
- Сложность четвертого яруса - [math]\displaystyle{ (max(cluster size) - 1) * N + N = N * max(cluster size) }[/math], где максимальный размер кластера зависит от входных данных, но на каждой итерации не больше [math]\displaystyle{ n - k + 1 }[/math]
Итого сложность при максимальной параллелизации: [math]\displaystyle{ I * (3N - 1 + n * k - 1 + (n - k + 1) * N) = I * (4N - 2 + nk + nN - kN) }[/math]:
[math]\displaystyle{ O(n(k+N)I) }[/math]
Входные и выходные данные алгоритма
Входные параметры: [math]\displaystyle{ n }[/math] векторов размерности [math]\displaystyle{ N }[/math], [math]\displaystyle{ k }[/math] - число кластеров
Объем входных данных: [math]\displaystyle{ O(N * n * k) }[/math]
Выходные данные: k центроидов
Объем выходных данных: [math]\displaystyle{ O(N * k) }[/math]
Свойства алгоритма
- Не гарантируется достижение глобального минимума суммарного квадратичного отклонения [math]\displaystyle{ J }[/math], а только одного из локальных минимумов.
- Результат зависит от выбора исходных центров кластеров, их оптимальный выбор неизвестен.
- Число кластеров надо знать заранее.
Программная реализация алгоритма
Особенности реализации последовательного алгоритма
Локальность данных и вычислений
Возможные способы и особенности параллельной реализации алгоритма
Масштабируемость алгоритма и его реализации
Изменяемые параметры запуска реализации алгоритма:
- Число процессоров: [math]\displaystyle{ [1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128] }[/math];
- Число векторов: [math]\displaystyle{ [150, 500, 100] }[/math]. Размерность [math]\displaystyle{ (N = 4) }[/math] и число кластеров [math]\displaystyle{ (k = 4) }[/math] не изменяется
На графике показана зависимость производительности (количество операций в секунду) от числа процессов и числа векторов.

Динамические характеристики и эффективность реализации алгоритма
Выводы для классов архитектур
Существующие реализации алгоритма
Литература
- MacQueen, J. B. (1967). "Some Methods for classification and Analysis of Multivariate Observations"
- MacKay, David (2003). "An Example Inference Task: Clustering"
- Jing Zhang, Gongqing Wu, Xuegang Hu, Shiying Li, Shuilong Hao (2012). "A Parallel K-Means Clustering Algorithm with MPI"